長(zhǎng)江上游流域水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)及典型洪水反演分析

曾志強(qiáng)，湯正陽(yáng)，曹 輝，舒衛(wèi)民，張海榮

(1.三峽水利樞紐梯級(jí)調(diào)度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧長(zhǎng)江與水電科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

三峽水利樞紐梯級(jí)調(diào)度中心(以下簡(jiǎn)稱“三峽梯調(diào)”)的主要核心業(yè)務(wù)包括：數(shù)據(jù)收集、氣象預(yù)測(cè)、水文預(yù)報(bào)、調(diào)度方案和實(shí)時(shí)調(diào)度[1-3]。針對(duì)長(zhǎng)江上游流域的水文預(yù)報(bào)是三峽梯調(diào)各核心業(yè)務(wù)中的關(guān)鍵流程，在氣象預(yù)報(bào)和水庫(kù)調(diào)度中起到承上啟下的作用[4-6]。高精度的水文預(yù)報(bào)有助于提高水資源利用效率。目前，三峽梯調(diào)已圍繞長(zhǎng)江上游流域水文預(yù)報(bào)展開(kāi)一系列研究[7-9]。鑒于長(zhǎng)江上游流域復(fù)雜的水文情勢(shì)以及較高的預(yù)報(bào)精度要求，有必要關(guān)注該流域的水文預(yù)報(bào)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，從而科學(xué)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

目前，三峽梯調(diào)所采用的水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)已經(jīng)過(guò)多次升級(jí)改造，成為集降雨實(shí)況預(yù)報(bào)展示、短中長(zhǎng)期徑流預(yù)報(bào)、水情預(yù)報(bào)會(huì)商和預(yù)報(bào)精度評(píng)價(jià)等多功能于一體的自動(dòng)化業(yè)務(wù)平臺(tái)，對(duì)三峽梯調(diào)水文預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)起輔助決策作用[10-11]。本文介紹了長(zhǎng)江上游流域水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)”)，選擇2021年汛期的3場(chǎng)典型洪水進(jìn)行反演分析，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際對(duì)水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)的下一步開(kāi)發(fā)和今后水文預(yù)報(bào)研究工作提出建議。

1 水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)介紹

(1) 流域概況。水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)模擬了長(zhǎng)江源頭至湖北宜昌段流域的水循環(huán)過(guò)程，覆蓋流域面積約100萬(wàn)km2，干流河段長(zhǎng)4 504 km。按水系情況可以將長(zhǎng)江上游流域劃分為金沙江、雅礱江、岷沱江、嘉陵江、長(zhǎng)江上游干流、橫江、赤水河、綦江、烏江等流域，如圖1(a)所示。

(2) 流域分區(qū)。水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)中包含一二三級(jí)流域分區(qū)(圖1(b)～(d))、流域產(chǎn)匯流分區(qū)(圖1(e))以及流域子單元分區(qū)(圖1(f))等5種流域分區(qū)方法。一二三級(jí)分區(qū)分別將流域劃分為12，25個(gè)和51個(gè)區(qū)域，產(chǎn)匯流分區(qū)和流域子單元分區(qū)分別將流域劃分為377個(gè)和1 437個(gè)區(qū)域。上述5種分區(qū)逐步細(xì)化，層層嵌套。一二三級(jí)分區(qū)是氣象預(yù)報(bào)分區(qū)流域產(chǎn)匯流分區(qū)是長(zhǎng)江上游流域產(chǎn)匯流計(jì)算的基本單元，包括小流域及區(qū)間流域；流域子單元分區(qū)是流域產(chǎn)匯流分區(qū)構(gòu)建的基礎(chǔ)，通過(guò)合并屬于相同流域的子單元可生成產(chǎn)匯流分區(qū)。

圖1 長(zhǎng)江上游流域分區(qū)Fig.1 Zoning of the upper reaches of Yangtze River

(3) 預(yù)報(bào)分區(qū)。長(zhǎng)江上游流域包括金沙江、岷沱江、嘉陵江、烏江、向寸(向家壩-寸灘)區(qū)間以及三峽區(qū)間這6個(gè)預(yù)報(bào)區(qū)域。目前，三峽梯調(diào)已針對(duì)這6個(gè)區(qū)域建立了6套預(yù)報(bào)方案，并針對(duì)整個(gè)長(zhǎng)江上游流域建立了一套水文預(yù)報(bào)方案。上述7套水文預(yù)報(bào)方案包含132個(gè)預(yù)報(bào)點(diǎn)(圖2)，其中水庫(kù)站33個(gè)。在后期運(yùn)行維護(hù)中，根據(jù)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的需求，可靈活增減預(yù)報(bào)點(diǎn)。

圖2 長(zhǎng)江上游流域報(bào)汛站點(diǎn)分布Fig.2 Distribution of flood reporting stations in the upper reaches of Yangtze River

(4) 站網(wǎng)建設(shè)。目前，水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)中包含自建遙測(cè)系統(tǒng)的水雨情數(shù)據(jù)(638個(gè)遙測(cè)站)、與各省水文局同步的報(bào)汛水雨情數(shù)據(jù)(372個(gè)報(bào)汛站)、各水庫(kù)電站的共享水雨情數(shù)據(jù)(445個(gè)共享站)以及氣象部門的雨情數(shù)據(jù)(4 563個(gè)氣象站)等多套水雨情數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，對(duì)4套站網(wǎng)進(jìn)行融合，建立了如圖3所示的水文氣象一體化站網(wǎng)，站網(wǎng)中包含遙測(cè)站556個(gè)、氣象站207個(gè)、報(bào)汛站164個(gè)。

圖3 長(zhǎng)江上游流域融合站網(wǎng)分布Fig.3 Distribution of forecast stations in the upper reaches of Yangtze River

(5) 預(yù)報(bào)模型。圖4所示為長(zhǎng)江上游流域的流域拓?fù)渲貥?gòu)示意圖，由產(chǎn)匯流分區(qū)、河段、測(cè)站以及水量交匯點(diǎn)組成，采用經(jīng)典的新安江模型[12]作為降雨徑流模型，選用馬斯京根[13]和一維水動(dòng)力模型[14]進(jìn)行河道徑流演進(jìn)，并利用反饋模擬模型和誤差自回歸模型實(shí)時(shí)校正[15]。在主汛期、消落期和蓄水期均采用不同的水文模型參數(shù)方案。模型之間采用單向松散耦合方式進(jìn)行耦合，各區(qū)間各個(gè)流域根據(jù)水系的連接情況依次匯入干流，干流采用了考慮支流入?yún)R的分段馬斯京根方法[16](圖5)。

圖4 流域拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意Fig.4 Schematic diagram of drainage basin topology

(6) 氣象預(yù)報(bào)。水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)中引入了梯調(diào)中心氣象預(yù)報(bào)部門人工訂正后的分區(qū)氣象預(yù)報(bào)產(chǎn)品和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，用于驅(qū)動(dòng)降雨徑流模型。其中，數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品包括三峽梯調(diào)中心網(wǎng)格產(chǎn)品、歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)、三峽梯調(diào)中心1個(gè)月訂正產(chǎn)品和美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)9個(gè)月產(chǎn)品。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品被直接接入到洪水預(yù)報(bào)方案中，以延長(zhǎng)作業(yè)預(yù)報(bào)預(yù)見(jiàn)期。此外，數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果可用于降雨量時(shí)空分析顯示，輔助會(huì)商研判。

(7) 數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品接入。梯調(diào)預(yù)報(bào)產(chǎn)品的預(yù)見(jiàn)期為7 d，時(shí)間步長(zhǎng)為3 h；歐洲預(yù)報(bào)產(chǎn)品的預(yù)見(jiàn)期為10 d，其中，前3 d的時(shí)間步長(zhǎng)為3 h，后7 d的時(shí)間步長(zhǎng)6 h。與洪水預(yù)報(bào)方案進(jìn)行耦合時(shí)，都按洪水預(yù)報(bào)方案的計(jì)算步長(zhǎng)進(jìn)行插值，方便數(shù)據(jù)接入?？臻g尺度上采用流域子單元接入(圖6)、流域產(chǎn)匯流分區(qū)接入和流域降雨交互分區(qū)接入，即根據(jù)氣象預(yù)報(bào)產(chǎn)品的空間步長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)調(diào)整接入方式，完成洪水預(yù)報(bào)方案和氣象預(yù)報(bào)產(chǎn)品在預(yù)報(bào)區(qū)域上的耦合。

2 典型洪水反演分析

2.1 數(shù) 據(jù)

2021年汛期，針對(duì)長(zhǎng)江上游流域共開(kāi)展了3次防洪調(diào)度，分別發(fā)生于2021年9月3～6日(1號(hào)洪水)、9月13～19日以及10月3～6日。本文選擇這3次防洪調(diào)度所針對(duì)的洪水過(guò)程進(jìn)行預(yù)報(bào)反演分析，防洪調(diào)度過(guò)程的降雨發(fā)展情勢(shì)簡(jiǎn)述如下。

(1) 第一次防洪調(diào)度。1號(hào)洪水對(duì)應(yīng)的降雨過(guò)程如下：2021年9月3日，嘉陵江、渠江中上游、岷沱江中下游、雅礱江中下游出現(xiàn)大到暴雨，局部大暴雨；9月4日，雨帶緩慢東移南壓，長(zhǎng)江上游沿江以北、金沙江中下游沿江以北出現(xiàn)大到暴雨，局部大暴雨；9月5日，隨著新一輪冷空氣加入，橫江、宜賓至重慶、重慶至萬(wàn)州、渠江出現(xiàn)大到暴雨，局部大暴雨；9月6日，雨帶進(jìn)一步東移南壓并減弱，三峽區(qū)間出現(xiàn)中到大雨，局部暴雨，上游大部分降水停止。此次降雨過(guò)程最大日面雨量為23.1 mm，于9月5日出現(xiàn)在寸灘至三峽區(qū)間。受降水影響，三峽入庫(kù)流量從9月3日02∶00的27 500 m3/s漲至9月6日20∶00的55 000 m3/s，后逐步退水至28 000 m3/s。

(2) 第二次防洪調(diào)度。2021年9月13～19日所發(fā)生的洪水過(guò)程對(duì)應(yīng)的降雨過(guò)程如下：9月13日，副高增強(qiáng)北抬，同時(shí)受高空槽、中低層切變線影響，沱江、涪江出現(xiàn)大到暴雨；9月14日，岷沱江中下游、涪江出現(xiàn)大到暴雨，局部大暴雨；9月15日，岷沱江、嘉陵江中下游流域出現(xiàn)大到暴雨，局部大暴雨到特大暴雨；9月16日，雨帶東移南壓并減弱，雅礱江中下游、嘉陵江流域、烏江流域、寸灘-三峽區(qū)間出現(xiàn)大到暴雨。此次降雨過(guò)程最大日面雨量為31.9 mm，于15日出現(xiàn)在沱江流域。9月17～19日上游流域出現(xiàn)一次較強(qiáng)降水過(guò)程，9月17日，嘉陵江流域北部、烏江流域出現(xiàn)中到大雨；9月18日，金沙江下游至長(zhǎng)江上游干流一線出現(xiàn)中到大雨，其中，三峽區(qū)間出現(xiàn)大到暴雨；9月19日，三峽-宜昌區(qū)間出現(xiàn)中到大雨。此過(guò)程最大日面雨量為30.8 mm，于18日出現(xiàn)在寸灘至三峽區(qū)間。受此次降雨影響，三峽入庫(kù)流量從9月16日20∶00的24 500 m3/s起漲，17日22∶00漲至43 800 m3/s，后流量逐步轉(zhuǎn)退。

(3) 第三次防洪調(diào)度。2021年10月3～6日，長(zhǎng)江上游北部出現(xiàn)一次強(qiáng)降水過(guò)程，具體過(guò)程如下：10月3日，沱江出現(xiàn)小雨，嘉陵江出現(xiàn)中到大雨，局部暴雨；10月4日，嘉陵江出現(xiàn)大到暴雨，沱江出現(xiàn)中到大雨；10月5日，嘉陵江出現(xiàn)中雨；10月6日，嘉陵江持續(xù)出現(xiàn)中雨，寸灘-三峽區(qū)間出現(xiàn)中雨。受長(zhǎng)江上游流域北部降雨影響，三峽入庫(kù)流量從10月5日14∶00的17 000 m3/s起漲，7日14∶00漲至38 000 m3/s，洪峰持續(xù)12 h，后流量逐步轉(zhuǎn)退。

2.2 方 法

在水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)中接入典型洪水過(guò)程所對(duì)應(yīng)的降雨和水庫(kù)調(diào)度過(guò)程，并設(shè)置作業(yè)預(yù)報(bào)時(shí)間以及水文參數(shù)方案。由于上述3次洪水過(guò)程均發(fā)生在汛期，因此選擇主汛期水文參數(shù)方案作為交互預(yù)報(bào)的模型參數(shù)。水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)計(jì)算完成后，可獲取水庫(kù)實(shí)測(cè)和模擬的水位、入庫(kù)流量以及出庫(kù)流量等數(shù)據(jù)。本文選擇接入實(shí)況降雨作為水文模型的輸入，降雨和水文預(yù)報(bào)的時(shí)間步長(zhǎng)均為1 h。

引入確定系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)模擬徑流和實(shí)測(cè)徑流之間的誤差，確定性系數(shù)的表達(dá)式為

2.3 結(jié)果與討論

(1) 第一次防洪調(diào)度。為了完整展示一場(chǎng)洪水過(guò)程，選擇水文預(yù)報(bào)的起止時(shí)間分別為2021年9月2日12∶00和9月10日10∶00。在水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)中接入相應(yīng)時(shí)段的降雨數(shù)據(jù)后，水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。從整體上來(lái)看，實(shí)況降雨驅(qū)動(dòng)下洪水的漲、退水趨勢(shì)均與實(shí)況一致。實(shí)況降雨接入下的模擬洪峰為53 900 m3/s，與實(shí)測(cè)洪峰(60 100 m3/s)的誤差約為10.3%，峰現(xiàn)時(shí)間誤差約為6 h，峰現(xiàn)相對(duì)滯后，預(yù)報(bào)模型有改進(jìn)的空間。模擬入庫(kù)徑流和實(shí)況入庫(kù)徑流(反推入庫(kù))過(guò)程的確定性系數(shù)為0.99，實(shí)況入庫(kù)徑流和模擬入庫(kù)徑流的擬合度較高。

圖7 三峽水庫(kù)預(yù)報(bào)調(diào)度綜合過(guò)程示意(第一次防洪調(diào)度)Fig.7 Schematic diagram of the comprehensive process of the forecast dispatch of Three Gorges Reservoir (the first flood control dispatch)

(2) 第二次防洪調(diào)度。選擇水文預(yù)報(bào)的起止時(shí)間分別為2021年9月13日08∶00和9月19日08∶00。在水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)中接入相應(yīng)時(shí)段的降雨數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8。從整體上來(lái)看，實(shí)況降雨驅(qū)動(dòng)下洪水的漲、退水趨勢(shì)均與實(shí)況一致。該場(chǎng)洪水過(guò)程包括兩個(gè)洪峰，第一個(gè)洪峰的模擬洪峰值為41 500 m3/s，與實(shí)測(cè)洪峰(43 800 m3/s)的誤差約為5.25%，峰現(xiàn)時(shí)間差約為7 h，峰現(xiàn)相對(duì)滯后，預(yù)報(bào)模型有改進(jìn)的空間。第二個(gè)洪峰的模擬洪峰值為46 200 m3/s，與實(shí)測(cè)洪峰(40 900 m3/s)的誤差約為12.96，洪峰誤差較大，峰現(xiàn)時(shí)間誤差約為2 h，峰現(xiàn)時(shí)間提前，峰現(xiàn)時(shí)間誤差小。模擬入庫(kù)徑流和實(shí)況入庫(kù)徑流(反推入庫(kù))過(guò)程的確定性系數(shù)為0.95，實(shí)況入庫(kù)徑流和模擬入庫(kù)徑流的擬合度較高。

圖8 三峽水庫(kù)預(yù)報(bào)調(diào)度綜合過(guò)程示意(第二次防洪調(diào)度)Fig.8 Schematic diagram of the comprehensive process of the forecast dispatch of Three Gorges Reservoir(the second flood control dispatch)

(3) 第三次防洪調(diào)度。選擇水文預(yù)報(bào)的起止時(shí)間分別為2021年10月3日08∶00和10月6日08∶00。在水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)中接入相應(yīng)時(shí)段的降雨數(shù)據(jù)后，水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9。從整體上來(lái)看，實(shí)況降雨驅(qū)動(dòng)下洪水的漲、退水趨勢(shì)均與實(shí)況一致。實(shí)況降雨接入下的模擬洪峰為 35 800 m3/s，與實(shí)測(cè)洪峰(38 500 m3/s)的誤差約為0.7%，峰現(xiàn)時(shí)間差約為1 h，模擬洪峰提前，預(yù)報(bào)模型精度精準(zhǔn)。模擬入庫(kù)徑流和實(shí)況入庫(kù)徑流(反推入庫(kù))過(guò)程的確定性系數(shù)為0.98，實(shí)況入庫(kù)徑流和模擬入庫(kù)徑流的擬合度較高。

圖9 三峽水庫(kù)預(yù)報(bào)調(diào)度綜合過(guò)程示意 (第三次防洪調(diào)度)Fig.9 Schematic diagram of the comprehensive process of the forecast dispatch of the Three Gorges Reservoir(the third flood control dispatch)

上述3次反演分析中，洪峰誤差最大為11.47%，最小為0.7%，峰現(xiàn)時(shí)間差最大為7 h，最小為1 h，不確定性系數(shù)均在0.9以上?？傮w而言，在降雨預(yù)報(bào)精度較高時(shí)，水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)所預(yù)報(bào)的洪峰和峰現(xiàn)時(shí)間可輔助調(diào)度決策，但仍有改進(jìn)空間；洪水過(guò)程的預(yù)報(bào)精度則比較高，可以滿足生產(chǎn)需求。

3 結(jié)論與展望

長(zhǎng)江上游流域水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)在三峽梯調(diào)水文預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中起到關(guān)鍵作用，為水資源高效利用提供了技術(shù)支撐?？傮w而言，該系統(tǒng)基本滿足目前的生產(chǎn)應(yīng)用需求，流域和預(yù)報(bào)分區(qū)劃分科學(xué)，氣象水文站網(wǎng)建設(shè)齊全，用于流域水循環(huán)模擬的數(shù)學(xué)模型選用合理，氣象預(yù)報(bào)產(chǎn)品豐富且精度滿足生產(chǎn)要求，預(yù)報(bào)降雨接入方式科學(xué)且便捷。本文的典型洪水預(yù)報(bào)反演分析表明，水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)表現(xiàn)出了較好的性能和穩(wěn)定性。但是，水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)還存在以下問(wèn)題。

(1) 目前，水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的水文參數(shù)方案相對(duì)固化，僅對(duì)主汛期、消落期和蓄水期這3種不同工況在水文參數(shù)上加以區(qū)別，沒(méi)有考慮不同降雨情景下水文參數(shù)的差異性。

(2) 水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)模型比較單一，可多引入一些性能較好的概念性水文模型、分布式水文模型以及水動(dòng)力模型，豐富水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)的模型庫(kù)，形成多模型預(yù)報(bào)方案，為水文預(yù)報(bào)人員提供更多預(yù)報(bào)手段。

(3) 基于物理機(jī)制的分布式水文模型和水動(dòng)力模型的引入，勢(shì)必會(huì)降低水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)的計(jì)算效率，因此，需引入能提高計(jì)算效率的新技術(shù)，在提高水文預(yù)報(bào)精度的同時(shí)保證其計(jì)算效率。

(4) 目前的水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)中缺乏自主可控的水文參數(shù)率定模塊，使預(yù)報(bào)人員無(wú)法通過(guò)優(yōu)化水文參數(shù)的方式來(lái)改善預(yù)報(bào)精度，同時(shí)預(yù)報(bào)人員的經(jīng)驗(yàn)尚無(wú)法直接反映到水文參數(shù)上。

今后建議考慮針對(duì)以上幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提高水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)的適用性、準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。